JPH02174503A - 電気車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、メタノール改質装置を備えた燃料電池と鉛
蓄電池を搭載した電気車に関するものである。

［従来技術］ 従来から水素と酸素により電気を発生させる燃料電池が
あり、この水素をメタノール改質反応により得る方法が
ある。即ち、メタノールと水の改質原料を触媒層に通し
外部より反応に必要な熱を供給することににり水素を生
成するものである。

そして、このメタノール改質装置を備えた燃料電池をフ
ォークリフ１〜等の車両用の電源として使用する場合、
補助電池として鉛蓄電池等の二次電池と組合わせハイブ
リッ１〜運転しなければ良好な車両性能が得られない。

即ち、補助電池は燃料電池の供給できないピーク電流を
出力するとともに燃料電池が起動するまでの間、負荷に
必要な電力を供給する。又、補助電池は燃料電池の余剰
電力により充電されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上述したメタノール改質装置と燃料電池と鉛蓄
電池を搭載した電気車においては、メタノール改質装置
及び燃料電池の周囲温度は非常に高くなりこれにより鉛
蓄電池の特性は劣化してしまう。又、車両においてはメ
タノール改質装置と燃料電池と鉛蓄電池の搭載スペース
は限られたものどなっている。即ち、熱の問題と設置ス
ペースの問題で相反する要求がある。

この発明の目的は、限られたスペースにおいて周囲温度
が高くなるメタノール改質装置及び燃料電池と、それに
近接しても鉛蓄電池が悪影響を受けにくいように効率的
に配置することができる電気車を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、メタノールと水とを原料として高温雰囲気
触媒下で水素を生成するメタノール改質装置と、その水
系とＭ素により電気を発生させる燃料電池と、前記燃料
電池にて充電されるとともに必要に応じて負荷に電力を
供給する鉛蓄電池とを搭載した電気車において、 前記メタノール改質装置及び燃料電池と、鉛蓄電池とを
通風通路を隔てて配置してなる電気車をその要旨とする
ものである。

［作用］ 発電時に周囲温度が高くなるメタノール改質装置と燃料
電池からの熱は通風通路にてその熱伝達が遮断され鉛蓄
電池の特性には悪影響を及ぼさない。

［実施例１ 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説
明する。

第１図に示すように、本実施例はメタノール改質装置と
燃料電池と鉛蓄電池をフォークリ゛）］〜に搭載したも
のである。即ち、運転シー１〜５０の下部にメタノール
改質装置と燃料゛市池と鉛蓄電池の設置スペースが用意
されてあり、この第１図は運転シート５０を前方に倒し
たときの様子を示す。

そして、燃料電池と鉛蓄電池のハイブリッド運転により
走行用モータと荷役用ポンプモータ等の負荷か駆動され
るようになっている。

まず、燃料電池と鉛蓄電池のハイ１リツ１〜運転による
電源供給系を説明する。第３図に示すように、全体とし
てメタノール改質装置１と燃料電池２とＤＣ−ＤＣコン
バータ３と補助電池としての鉛蓄電池４と負荷としての
走行用直流モータ５ａと負荷としての荷役用ポンプモー
タ５ｂとから構成されている。

水タンク６の水は水ポンプ７の駆動により混合器８に供
給されるとともに、メタノールタンク９のメタノールは
メタノールポンプ１０の駆動により混合器８に供給され
、この混合器８にて水とメタノールが混合され、改質原
料となりメタノール改質装置１に供給される。

メタノール改質装置１は第４図及び第４図のＡＡ断面を
示す第５図に示ずように、円筒形をなずフレーム１１に
は断熱ｔｒｊＵ１２が配置されている。

そのフレーム１１内には触媒層１３が同心円上に複数立
設され、触媒層１３の中には改質触媒１４が充填されて
いる。この改質触媒１４としてはＣｕｏ、ｚｎｏ系触媒
が使用される。又、前記混合器８にて混合されたメタノ
ール／水の改質原料はメタノール改質装置１のフレーム
１１内に改質原料供給管１５を介して供給される。その
改質原料供給管１５はフレーム１１内の中心部に螺旋状
に延設され、さらに、分岐部１６から各触媒層１３の底
部に接続されている。各触媒層１３の上端部は集合され
て水素排出管１７にて外部に連通している。

フレーム１１の内筒上部にはバーナー８が設（すられ、
そのバーナー８にはブロワ１９にて空気（酸素）が供給
されるとともにメタノールポンプ２０にて前記メタノー
ルタンク９からメタノールが供給される。そして、メタ
ノール改質装置１の起動時の昇温の際にはバーナー８に
よりメタンルが空気中の酸素にて燃焼してその高温の燃
焼ガスは内筒を通り前記改質原料供給管１５内のメタノ
ール／水の改質原料を加熱するとともに、外筒を通過し
各触媒層１３を加熱して排気通路２１から外部に排出さ
れる。

さらに、バーナー８には燃料電池２の未反応水素が供給
され、メタノール改質装置１の昇温が終了した後にａ３
いてはこの水素か前記ブ１：１ワ１９により供給される
空気中の酸素にて燃焼してその高温の燃焼ガスは前記改
質原料供給管１５を加温リ−るとともに、各触媒層１３
を加熱する。即ち、メタノール改質装置１の昇温時はメ
タノール炎にて触媒層１３を加熱し、−旦反応温度の約
３２０’Ｃに達しメタノール改質反応が行われた後は、
メタノール炎を停止し、燃料電池２からの未反応水素に
よる水素炎に切換え、改質反応に必要な熱を供給する。

そして、燃焼ガスはメタノール改質装置の内筒から外筒
を通過し排気通路２１がら外部に排出される。

又、触媒層１３においては、上述したバーナ１８での燃
焼による高温雰囲気下においてメタノールと水とを原料
として改質触媒１４にて水素を生成する（ＣＨ３０Ｈ十
町Ｏ→３Ｈ２＋ＣＱ２△Ｑ）。この水素生成反応は吸熱
反応であるために加熱が必要となっている。

燃料電池２は、リン酸電解質２２を介して水素極２３と
酸素極２４が対向配置され、水素極２３側に前記メタノ
ール改質装置１により生成された水素が前記水素排出管
１７からフィルタ２５を介して供給される。又、酸素極
２４側にブロワ２６により空気（酸素）が供給される。

さらに、この燃料電池２には該燃料電池２を加熱及び冷
却するための熱交換器（オイル管）２７が配置され、こ
の管内にはオイルポンプ２８の駆動により熱交換器２９
及びオイルタンク３０を介してオイルが循環される。熱
交換器２９には起動用バーナ３１か設けられ、メタノー
ルポンプ３２により前記メタノールタンク９からメタノ
ールが供給されるとともにブロワ３３により空気が供給
される。そして、燃料電池２の起動時には起動用バーナ
３１にてメタノールが燃焼してオイルか加熱され、オイ
ルが循環され燃料電池２が約１００℃付近まで昇温され
る。燃料電池２の温度が約１ｏｏ’ｃに達すると発電が
開始される。燃料電池２は発電を開始すると発熱反応に
より温度が上昇するが反応に適正な温度は１９０’Ｃ±
２０℃付近であり、その温度範囲内に温度制御する必要
がある。

燃料電池の冷却はブロワ３３を駆動し、熱交換器２９に
て循環するオイルが冷却することににり行われる。又、
燃料電池の昇温はメタノールポンプ３２とブロワ３３を
駆動するとともに、起動用バーナ３１によりメタノール
炎を着火し熱交換器２９にて循環するオイルを加熱する
ことにより行ねれる。

燃料電池２においては、メタノール改質装＠１から供給
される水素とブロワ２６により供給される空気（酸素）
により水素極２３と酸素極２４との間に起電力が発生す
る。又、水素の未反応物は逆火防止器３４を介して前記
メタノール改質装置１のバーナー８に戻される。

燃料電池２の画電極はＤＣ／ＤＣ，］ンバータ３に接続
されている。又、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子間
には鉛蓄電池４を介して車両の走行用モータ５ａと荷役
用ポンプモータ５ｂが接続されている。走行用モータ５
ａは切替コンタクタ（前進用、後進用）３５ａ、３５ｂ
が並列に接続されるとともに、走行用モータ５に対し１
〜ランシスター「ｒが直列に接続されている。又、接続
点ａ。

ｂにはフライホイールダイオードＤ１．Ｄ２が接続され
ている。そして、運転席に設りた前後進レバーの操作に
よりいずれかの切替コンタクタ３５ａ、３５ｂが閉路さ
れるとともに、運転席に設けたアクセルペダルの操作に
より１ヘランジスタＴｒがチョッパ制御されることによ
り走行用モータ５ａが前進又は後進側に所定の速度で制
御されるようになっている。

又、運転席に設けたリフトレバーの操作によりスイッチ
ング回路３６が閉路して荷役用ポンプモタ５ｂが駆動さ
れて作動油をリフ１〜シリンダに供給してフォークの上
昇動作を行なわける。

システム全体を制御するコン１〜１］−ラ３７は前記各
ブロワ１９．２６，３３、ポンプ７．１０゜２０．２８
，３２を駆動制御り−るとともに、メタノール改質装置
１の触媒温度を検出する温度センサ３８からの信号と燃
料電池２の温度を検出する温度センサ３９からの信号を
入力して各温度を検知する。又、コン１ヘローラ３７は
電圧検出部４０による燃料電池２の出力電圧ＶＦＣを検
知するとともに、電圧検出部４月による鉛蓄電池４の端
子電圧ＶＢを検知する。又、コン１ヘローラ３７は電流
センサ４２による鉛蓄電池４の充放電電流ＪＢを検知す
るとともに、温度センサ４３による鉛蓄電池４の温度を
検知する。さらに、コントローラ３７はＤＣ／ＤＣコン
バータ３に燃料電池２からの出力電流指令値を出力する
とともにＤＣ／ＤＣコンバータ３と鉛蓄電池４との間に
設けられた負荷コンタクタ４４を開閉制御する。

そして、第１図に示すように、運転シー１〜５０の下部
おいて、その車両後部にメタノール改質装置１と燃料電
池２とか左右に並んで配置されている。そして、第２図
に示すように、メタノール改質装置１と燃料電池２の外
周部は断熱材４５で囲まれている。このメタノール改質
装置１及び燃料電池２に対しその前方には通風通路４６
を隔てて鉛蓄電池４が配置されている。又、その通風通
路４６には前記各ブロワ１９，２６，３３、ポンプ７．
１０，２０．２８．３２等の捕型が配設されている。ざ
らに、通風通路４６の側面には冷却ファン４７が設けら
れ、このファン４７の駆動により通風通路４６に常に空
気が通過されメタノール改質装置１と燃料電池２からの
熱が鉛蓄電池４に伝わらないようにしている。

尚、通風通路４６の出入口となる車両の両側部は金網よ
りなるカバー４８が配置されている。

次に、このシステムの起動制御を説明する。

まず、］コン１〜ローラ７はメタノール改質装置１の触
媒温度が改質反応可能な最低温度（約２５ｏ　’ｃ　＞
な達するまでの間、メタノールポンプ２０とブロワ１９
を駆動してメタノールをバーナ１８で燃焼させ触媒層１
３を昇温する。同時に、コントローラ３７は燃料電池２
が発電可能な最低温度（約１００’Ｃ）に達するまでの
間、メタノールポンプ３２とブロワ３３を駆動して起動
用バーナ３１でメタノールを燃焼させ、オイルポンプ２
８によりオイルを循環さけ燃料電池２を昇温さμる。

そして、コン１〜ローラ３７はメタノール改質装置１の
触媒温度が改質可能な最低温度（２５０’Ｃ）に達する
とともに燃料電池２が発電可能な最低温度（１００’Ｃ
）に達すると、水ポンプ７とメタツルポンプ１０を駆動
し、メタノール改質装置１に改質原料の供給を開始する
。すると、メタノール改質装置１の改質触媒１４で改質
された水素はフィルタ２５を経由して燃料電池２に供給
される。

さらに、コン１〜ｌ」−ラ３７は未反応の水素を逆火防
止器３４を介してメタノール改質装置１のバナ１８で燃
焼させる。

それ以後、コン１〜ローラ３７はメタノール改質装置１
のメタノールポンプ２０を停止しメタノール改質装置１
でのバーナ１Ｂの燃焼を未反応水素主体で行なわせる。

コントローラ３７は燃料電池２への水素供給が始まると
同時にブロワ２６を駆動し空気（酸素）を供給する。水
素と酸素の供給が始まると燃料電池２の両電極間にオー
プン電圧が発生する。コントローラ３７はオープン電圧
が規定の電圧に達した後、負荷コンタクタ４４を閉じて
外部への電力供給を開始する。この時、コントローラ３
７はＤＣ／ＤＣコンバータ３に燃料電池２からの出力電
流指令値を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３はその値に
従って多段階に定電流出力制御を行っている。ざらに、
コン１〜ローラ３７は鉛蓄電池４の端子電圧ＶＢと充放
電電流ＩＢと温度を常時検出することにより鉛蓄電池４
の充電状態を算出している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３への出力電流指令値は鉛蓄電池
４の充電状態に相関して出力するようにしている。即ち
、鉛蓄電池４の放電か進んでいる場合には燃料電池２の
出力を最大側に設定し、鉛蓄電池４か充分に充電されて
いる場合には低出力側に設定している。コン１〜ローラ
３７は燃料電池２の発電が開始されると同時に起動用バ
ーナ３１へのメタノール供給を停止しブロワ３３により
燃料電池２を冷却する。

次に、この燃料電池２と鉛蓄電池４の運転方法を説明す
る。

燃料電池２の出力電力はＤＣ／ＤＣコンバータ３を経由
して走行モータ５等の負荷、又は、補助バッテリーとし
ての鉛蓄電池４に供給されるわけであるが、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ３はその出力を常に鉛蓄電池４の充電電圧Ｖ
Ｂになるように制御し、燃料電池２と鉛蓄電池４による
ハイブリッド運転を行わせる。又、メタノール改質装置
１．燃利電池２．ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力は鉛蓄
電池４の放電か進んでいる状態では出力最大側にし、満
充電状態になるにつれて低い出力になるように制御する
。

そして、通常運転において、メタノール改質装置１の触
媒層温度は３２０’Ｃ程度になるとともに燃料電池２の
電極温度は１９０℃程度になり、メタノール改質装置１
及び燃料電池２の周辺の雰囲気温度は非常に高くなる。

しかしながら、断熱材４５及び空気が通過している通風
通路４６により鉛蓄電池４は４５℃以下に保つことがで
きる。

このように本実施例によれば、メタノール改質装置１及
び燃料電池２と、鉛蓄電池４とを通風通路４６を隔てて
配置することにより、周囲温度が非常に高くなるメタノ
ール改質装置１及び燃料電池２からの熱は通風通路４６
にてその熱伝達が遮断され常温仕様の鉛蓄電池４には悪
影響を及ぼさないようにした。従って、限られたスペー
スにおいて周囲温度が高くなるメタノール改質装置１及
び燃料電池２と、それらに近接しても鉛蓄電池４が悪影
響を受けにくいように効率的に配置することができるこ
ととなる。

又、冷却ファン４７を設（ブたことににり通風通路４６
に強制的に空気を流すことにより空気のよどみににリメ
タノール改質装置１と燃料電池２／Ｊ）ら鉛蓄電池４に
熱か伝わるのが確実に防止できる。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものでなく、例
えば、上記実施例では冷却ファン４７を設けたが必ずし
も必要でなく、自然通風にＪ：り改質装置１と燃料電池
２から鉛蓄電池４に熱が伝わるのを防止するようにして
もよい。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、限られたスペー
スにおいて周囲温度か高くなるメタノール改質装置及び
燃料電池と、それらに近接しても鉛蓄電池が悪影響を受
りにくいように効率的に配置することができる優れた効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の電気車の斜視図、第２図は腰部を示す
平面図、第３図はシステム全体の概略構成因、第４図は
メタノール改質装置の断面図、第５図は第４図のＡ−△
断面図である。 １はメタノール改質装置、２は燃料電池、４は鉛蓄電池
、４６は通風通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、メタノールと水とを原料として高温雰囲気触媒下で
   水素を生成するメタノール改質装置と、その水素と酸素
   により電気を発生させる燃料電池と、 前記燃料電池にて充電されるとともに必要に応じて負荷
   に電力を供給する鉛蓄電池と を搭載した電気車において、 前記メタノール改質装置及び燃料電池と、鉛蓄電池とを
   通風通路を隔てて配置してなる電気車。